材料驱动下的数字形态生成设计

文／刘念祖，徐薇薇（浙江万里学院 设计艺术与建筑学院）

数字形态生成是一种运用计算机开发复杂形态和仿生形态的生成艺术，该概念在设计艺术、建筑等多领域具备实践价值，最初源于生物领域，后被地理学、地形学、建筑学等沿用。与20世纪建筑材料和形式上简化的趋势不同，现如今，实现那些过去看来不可能的复杂几何形态已然成为可能。数字化制造技术将已被忘却的手工技艺重新带入人们视野，这也源于对材料属性的提炼和再利用。因此，对材料属性的挖掘帮助我们拓展新的设计思路。

一、因材施“造”：材料驱动创新设计

传统材料在数字形态生成领域被完全置于新的用法：Shigeru Ban用纸管在不同尺度上作为项目的构筑材料；脱离定式，看到更多旧材新用的案例，Front Inc公司的设计案例中玻璃被冲压塑形，而位于华盛顿的国家建筑博物馆内Jeanne Gang的大理石幕墙案例中石材承压的运用等。这些材料的创新运用源于对材料表现和其安装过程的系统了解。

位于伦敦的洛德板球场媒体中心项目中，铝制双曲面表皮结构被用以幕墙设计。受到“压力外皮结构”的启发，这座由Future Systems设计的项目是一栋半单体铝壳建筑，这类工艺通常用在汽车、航天飞机、舰艇等制造上。例如，飞机设计上一种被称作“飞机框架”的笼式结构由铝合金制成，用铝制面版覆盖围合成一个半单体铝壳封皮，其中骨架和封皮协同作用吸收作用力。区别于现代主义关于构造的二项式思维，框架和表皮在半单体铝壳中整合成一个元素，形成一个自支撑不需骨架的独立结构。

其他常见材料如玻璃纤维，高分子材料和泡沫材料等这类罕有在建筑领域运用的材料，现如今，由于其部分指标优势也被尝试开发其潜力。质轻，强度高，易于塑形都使其成为理想外墙材料，但这类一直被忽视的材料需要塑形成曲面以使其结构上能合理表达。有趣的互利关系建立在新材料和新的造型上，复杂的几何造型需要更多新材料支撑，反之亦然。

玻璃纤维的物理属性使其特别适合运用在复杂形态上。它以液态方式塑形，所以能很好适应各种模具形状且表面平整——流动的液态材料适用于流动的液态空间，液态材料中最吸引建筑师的是那些配方被精确设计的复合材料，以满足不同的使用标准。该类复合材料是由两种以上的成分组成，通常具备多样的属性。高分子复合材料被建筑师冠以新的用途，由于其出众的塑性能力，相对低成本且易于打理，还有优秀的强重比。

通过优化复合材料的配方以适应不同标准，为建筑业提供新的可能选择。单体表面的透光度可以通过调整强化纤维的图案和添加量[1]加以控制；如由“注入反应塑型（RIM）”技术生成的聚氨酯泡沫材料极大拓展了工程设计的密度和刚度区间，以适用于不同的墙体面版筑造，两种液体被注入模具，发泡后的聚氨酯材料具备外柔内刚的理想属性。

材料的易变性也能被视作一种优势。材料伴随时间的变化，如风化、老化等在近代建筑中通常是要尽量避免的；但有时，风化被视作一种表皮策略：瑞士建筑师Peter Zumthor的很多作品表达了一种对于材料的深刻认识。 由Herzog和De Meuron同A.Zahner公司合作设计的位于旧金山的De Young博物馆，塑型多孔的建筑表皮很好地利用了数字形态生成设计技术。铜会伴随时间泛出青绿色，建筑外墙上由镂空圆点组成的抽象树形图案最终与所在公园葱绿的绿植融合在一起，通过时间磨合也很好表达了设计师融入自然的设计意图。建筑映射一种生命感，就好像是一栋活的有机物。建筑师Herzog和De Meuron以作品中独特的材料处理闻名。De Young博物馆外立面由单体镂空有7 200个大小不一的圆洞的铜制面板塑型而成。氧化后的铜制面板呈现蓝绿色渐渐融入周边景观，即便设计师欲意阳光透过这种变化的镂空图案模拟树影，该设计仍被持异议者认为与周边绿地环境格格不入（见图1）。

图1 De Young博物馆外立面设计

材料潜能的开发还包括一些根据外部或内部环境，如光照、温度和压力等变化动态改变自身属性的材料。Sulan Kolatan和William MacDonald开发了一款“能在压力条件下重构分子的塑料”“对光照和气温作出反应的智慧玻璃”及“玻璃纤维强化高分子复合材料”。Michael Silver设计的“液晶玻璃屋”拥有能持续对环境作出适应反馈的幕墙，该幕墙由嵌入玻璃面板的液晶构成，利用电流，面板的透明度可以不断变换，液晶玻璃面板由计算机控制能生成无数动态图案。

由Ben van Berkel和Caroline Bos主持的UN Studio工作室开发了一套多色复合玻璃。玻璃夹层间的反射图层能根据光照角度改变颜色，该技术被用在尼德兰的La Defense办公楼项目中，面向庭院的立面玻璃能在白天不断在全色域范围内变化色彩（见图2）。

图2 UN S tudio工作室设计的位于尼德兰阿尔默勒的La De fe ns e办公综合体项目

新的建筑外墙不仅能改变色彩和透明度，也能对外部环境作出形变反馈。如Mark Goulthorpe/dECOi.设计的Aegis Hypo Surface超级立面项目，可变形的橡胶膜外覆盖无数三角金属面片组合成一座完整的冰裂的金属墙，墙体可以对环境中变化的声光信息作出反应，或者通过用参数控制生成的图案来改变墙体表面形状，基层的数千个数控轴驱动实现该过程，提供实时反馈（见图3）[2]。

图3 Ma rk Goulthorpe/dECOi.设计的Ae gis Hypo s urfa ce动态幕墙系统

二、材料驱动功能

材料信息不能仅仅被整合到计算机设计当中，也可以作为形态生成的驱动力。材料本身的行为特征，还有材料化过程中的其相关属性不仅被视作不利条件，更应是计算机设计的创新源泉。人们开始意识到对材料天然的形态生成潜力尊重的重要性。当前有必要重新审视结构和形式的根源，并非附加在被动对象的无意义添加，也并非组装线上由上及下的指令，而是来自材料内部的声音，一种当允许材料通过我们创作发声时的意外收获。

2.1 自然系统：本能反应

自然界已进化出一套应对自然气候的动态系统。对建筑来说，一种最有趣的方式是一些植物中存在的靠湿度调节的开启或者闭合效应，如捕蝇草[3]。这种效应包括一种对湿度变化的被动调节，不需任何感知系统或动力作用，独立于代谢系统也不消耗任何能量，这种反应能力是与生俱来置于材料吸湿行为和 “各向异性的”（Anisotropy）（“各向异性的”代表不同方向具备不同材料属性）。譬如木材不同的物理属性与其纹理方向相关，吸湿性则是指材料在干燥环境下从大气中获取湿气、在潮湿环境下排放湿气的能力。因此，保持材料湿度与环境湿度相平衡，吸湿排湿过程中材料发生物理变化，水分子依附于材料分子。

“各向异性行为”是HFG Offenbach和斯图加特的ICD关于开发对环境湿度作出反应的复合材料的子课题。材料利用简单对角切割的枫木面板，之所以用枫木，由于其年轮切线方向幅度上较大的改变及低延展性；相对湿度上的变化，如40%至70%导致面板尺寸上的快速变化进而由面板构筑的单体也会发生形状改变，湿度快速升高，单体会在数分钟内由直变曲，面板构成的组件以惊人简单的方式支持了材料对环境的反应能力，内置调节感应功能又不需要动力控制驱动；再有， 所用面板组件独立运作，去中心化的控制和系统层面上的集体动作对本地微气候极为敏感且高效，气压仓内精细的实验室测试展示了材料系统对环境湿度快速的反应能力，系统无数次持续开合表明感知触发调节的可靠性，表皮对微气候变化的局地反馈控制（见图4）。

图4 材料系统对环境湿度快速的反应能力

2.2 材料系统：程序化的反馈机制

在单元层级的各类行为能力研究为在系统层级各种潜能的挖掘奠定基础。迄今为止两种系统类型已投入研究：一种是在相对湿度增加时单元自动开启的系统[4]；另一种是反向系统，即相对湿度增加时系统自动闭合，如在雨天，自动闭合的单元格提供一种对天气敏感且可逆的庇护膜组方案。此外，由于相对湿度由气温决定，这类系统也会显示出一定温度反馈能力，如温度骤降时，膜组同样闭合。利用功能模型，这类膜组行为已有较深入研究，既能在气候仓里用精确的湿度控制来测试，也能通过长期暴露在自然环境下来测试。

系统形态学在这些本地控制反馈的膜结构开发中扮演重要角色，因为每一个区域独立感知局地的湿度变化并据此改变膜表面形状。存在于表面的微气候条件同样受到系统行为影响并直接为局部的模组形状和整体系统的形态学所左右。较之于相对简单常规的测试模型，计算机辅助系统的应用衍生出更多独特的形态，阐述了整体系统反馈及宏观微观动态模组同个体单元间复杂的互利关系，这一过程中通过一系列基于材料解剖，特性和行为的参数和限制条件用于运算生成并控制几何体表面。通过计算机设计一个包括四边、五边、六边、七边形对象能在形态特征上自适应，这些特征包括诸如密度、曲率、结构及毗邻组件间的相互关系等（见图5）。

图5 基于材料解剖的不同几何体表面

系统形态生成的更新以动态的运算过程变量和生成结果的评估为基础，这一计算机设计过程相对简单[5]，仅包括四边形、五边形、六边形和七边形对象以适应诸如本地单元密度和整体曲率这类形态特征，以应对整体需要。通过变化的纹理方向的重复叠加，单元体得以具备面向每一个反馈组件参数的结构潜力。在整体系统中，这种局部增厚的设计构建了附着反馈膜体部分的结构网格框架，反馈系统组件能自适应于四边、五边、六边、七边形，同时组件不需要附属结构，反馈的关键在于较厚边缘部分的延伸（见图6）。气温回升则重新开启（见图7，8）。

图6 局部增厚的设计

图7 法兰克福的FAZ庇护性景观表皮随气候而变化

2.3 气候建筑：关于生态

三、材料驱动形态

作为一种多样的行为特征而非劣势，考察木材固有的环境反馈能力允许我们对这种古老材料潜力的挖掘。在建筑界，其提供一种新选择，将反馈机制视作材料自身固有的非技术的潜能，而非通过技术手段附加在这些被动的构筑物上。

这些关于材料潜能的研究在建筑业内，以及在其他行业内的拓展应用可谓意义深远，如FAZ夏日馆。位于法兰克福的FAZ庇护性景观表皮能随气候变化而产生形态上的变化，提供全新的环境和空间体验。这种反馈能力内置于材料本身，无需外力或设备支持。当天气由晴转阴时或环境湿度的变化自动触发反馈机制。闭合后的外皮也能防风遮雨。以这种整体结构和吸湿系统为基础，整座夏日的外膜有效应对气候变化。低湿的干燥天气里，表皮张开；雨季则触发闭合机制满足防护需求，一旦雨季结束，湿度下降的时候场馆的外膜系统重新打开；入夜的低温也会触发外膜闭合，晨间

数字形态生成设计案例中，材料突出表现作形态的驱动力量，因材施“造”。利用数字模拟技术能预先根据材料张力弹性等物理属性模拟生成形态。不同于以往，这一过程中对复杂形态模拟和行为判断异常精准。利用计算机模拟真实环境，通过辅助设计提出形式方案、结构方案及形式的创建过程已有很长历史，如高迪在巴塞罗的圣家族大教堂，Sagrada Fam ília设计的悬索结构到近代Frei Otto受到肥皂泡启发，用固定节点的支架和编织材料构建的实验建筑。这些案例中，很容易认识到形式不是终极目标，而是一系列同实验过程中表现出的材料及物理特性等相关过程综合作用的结果，即形态学理论或进而所谓格式塔理论。通过模拟一些具备系统属性的作用主体，研究分析几何对象的表达和基础作用，而这也正是利用创新途径开发构建整合建筑系统过程中最关键的问题所在。

图8 德国斯图加特大学湿度调节封皮实物模型开合时的状态说明材料具备感知、自发驱动和调节的属性

这些先前案例关注的是梳理解决系统中具备相互作用关系的复杂性问题，尤其是跨越网格梯度和大小层级范围的相互作用关系。最基础的作用主体是物质而非材料，因为在可定义的组织系统中物质是最直观和具体的；原则上，物质具备物理属性和环境属性，通过物质表达能使各样材料集合产生形态上的变化。Otto的数个肥皂膜案例研究就是这一现象研究的典型代表：力场平均分布的平衡状态下的物质组合描述了节点，因为该平衡态是存在于在物体表面的持续涌动的状态[6]，探究材料智慧是解决形式复杂性的关键。

所谓寻求形式的解决方案通常指在内部和外部压力条件下，通过材料组织获得形式，通过物理方式获得形式以及通过计算机获取形式本质上存在区别；前者即是对特定力场条件和元素条件的模拟，后者是对环境变量的量化分析。尽管材料被视作生成形态的参数，它通常仍是基于计算机几何算法的物化的度量标准，材料元素的相互作用仅存在于几何概念中，并非总是有结果[7]。由一种元素向另一种整体系统的降级转化，没法在单一数学描述或几何关系中得以捕获或表达，计算机形式生成的限制因素是物质量化和行为量化。籍此，不同类型物质相互作用，空间上展示模型的具象化是自发形成的；同时，时间上模型形态经由物质行为获得。无论如何，物质量化或行为量化仍是固有且持续存在的。

这些概念在一些计算过程演算和张力表皮的形态学相关研究中得以表达（通常指张拉膜和悬索结构）。借用计算机分析处理形式和操作行为中系统的物理属性是问题关键，因为其无法从数学层面加以描述，只有对张力分布的精确复制，生成表皮位置和结构刚性数据才是切实有效的；力场和物质不同幅度层级、范围的相互依赖要求提出一些唯一的解读、研判方法和框架。较之形态展示更关注行为本身，核心问题是该过程中作为过渡函数，行为准则如何形成，在全局行为中发挥作用并转化作具体的编织指令和操作指令。

3.1 系统生成

在处理张拉系统过程中，转化和行为成为核心概念。该类型系统由3种基本形态组成：鞍形、锥形和脊谷形[8]。尽管所有张拉几何体可以分解作这3种形态，其复合形态也是其中必不可少的可能组成部分。在该层级下的转化函数来源于力场的内在逻辑、曲率和边界条件，因为这些定义不同形态特征的函数并非几何对象，而是一种力的协调介质在空间形态中通过干扰影响控制整体形态来发挥作用，重要的是认识计算机建模过程，该过程通过输入特定材料特征（材料和力场）具体形态和一些智能控制得以实现。复杂的拓扑形态由多个柱形网格网络组合而成，不匀的受力分布准确描绘了最终方案，为实物和预力设计提供数据支持。从计算机模拟的力量分布到实体模型由数字材料测试完成，拓扑结构经由计算机定义的逻辑绘制而成（见图9）。

图9 复杂的拓扑形态由多个柱形网格网络组合而成

依据对张拉系统数据计算，Otto开发的材料高度定制化模型算是先驱，当时只有一些手工计算运用在模型中以增加设计的有效性。如今由类似动态调节，力量控制和刚度控制的“有限元分析”系统取而代之，其中虚拟模型用以测试特定材料负载的动态张力和在多余外部荷载下的边际参数[9]。当然，这些实验过程中无疑需要首先确定的是相关信息数据，该过程并非信息验证或信息组合，而是遵循特定系统形成逻辑，通过该逻辑不断调校的行为原则以各种物质形态积累形成最终系统。

3.2 行为嵌入

拓扑是跨层级行为表达。概念上，顶层拓扑描述全局形态，它们包括如鞍形平面、柱形椎体或其他更加复杂的超环面、超级拓扑网格等[10]。拓扑最重要的意义在于张力表达的介质，元素网络精确描述张力重力等力场的实现方式，但是在材料行为的特殊解读上仍有些许区别，在张拉织物或覆膜表面力量分布跨越边际区域，这点可以在选择不同编织材料的具体案例中得以说明。节点相对固定的张拉膜，力在各节点被局部分散吸收[11]，力通常自发寻求平衡，而平衡并非总是通过匀质实现；拓扑能够经由不同局部形态构建，局部行为也会在受力表面或者局部施压的网格表面产生差异。运用不同柱形开口的个体单元由连续弧面组成，张力网和方向坐标用以控制整体形态，包裹牵拉的力量变化定义了开口直径大小，在调整开口大小深度和材料厚度时声学效应也是考量的重要因素（见图10）。

图10 由连续弧面组成不同柱形开口的个体单元

尽管拓扑利用节点系统造型，节点系统是由计算机驱动模拟诸如重力、张力、压力、牵引力和磁力等外力类型。弹性材料以Hooke拉力定律为基础影响拓扑形态，过程中各力场实现平衡。形态事实上是探究复杂张力形态的信息工具，计算机设计早已引入节点系统，但仅局限于平衡状态下提供位置信息，关于界定张拉表面或网格力矩及其力场分布等的信息仍是构建那些结构上相互关联的拓扑系统的关键。超几何环面计算机模拟图应用材料表现数据对计算机模拟运算进行校准。尽管在几何和拓扑结构上较为复杂，但真实模型仍能与计算机模型保持一致（见图11，12）。

图11 超几何环面计算机模拟图

3.3 进化的形态空间

因为不断更新迭代的系统是不同演进过程的集合，该过程无法通过某一代的分析反馈来控制或者了解系统，最优的框架组织是在形态空间的不断进化中实现。发展的形态空间由变量集合体来定义，该集合体囊括特定形态过程，又能同外部进化压力相比较[12]。形态空间定义空间的拓扑形式源于形态空间的特定形态变化，无疑将导致基于这种变量参数的新型形态空间的产生，当然该参数以相关材料属性作标准。

四、材料的物理影响和情感影响

图12 物理模型尺寸大致为120 cm×80 cm×150 cm

材料的属性同材料的物理影响(Effect)和情感影响(Affect)间存在密切联系，外观和形式影响效应的表达可以对建筑本质的探索产生无比重要的影响。Ruskin在《建筑的七盏明灯》中提到建筑本质时认为建筑不仅应该诚实也应反映社会与文化，更应该忠实于结构、材料和建造途径。Peter Eisenman在材料的物理效应和情感效应上作了区分[13]，他提到物理效应是一种结果状态，由某一因素触发，建筑上可以理解作对象和其功能或意义间的关系，这一观点在过去200年间主宰西方建筑；而情感效应是对物理环境的感性反映，正如建筑强调沉浸体验、互动、视觉和感官解读，精心处理的材料其物理效应能触发情感效应。

坐落在上海的一个废弃汽车修理厂，现为同济博物馆“可充气”的场地装置艺术是周洪涛团队2017年完成的项目。充气膜结构穿梭在原有建筑中，倚靠、包裹、挤压，按抚已有建筑结构。装置艺术不会对原建筑造成破坏，而是运用具动势的造型手段使被忽略的空间焕发生机，同时对城市的无限扩张和对空间无止尽索取提出质疑 （见图13）。又如 “黏性竹雕”，周洪涛及其团队创作陈列于夏威夷大学Haigo and Irene Shen艺术馆，该项目试图探讨人类环境和自然环境间的关系，初衷是完成一个关于反映学生日常观察体验，表达其文化和环境的命题创作。设计由柱子和纸板制作，造型受到变色龙的舌头形态启发，代表了夏威夷当地环境。雕塑运用超现实主义手法赋予场地独特的空间印象，粘在墙壁上的竹子给人力量和紧张感，让人印象深刻（见图14）。

图13 “可充气”的场地装置艺术

图14 黏性竹雕

材料的物理效应具备表现力，能通过验证材料功能判断其好坏。建筑材料属性的表现维度本质上是物质上的和精神上的，材料的外观同其在结构、热力、声学上履行的功能同样重要。材料可以通过机械化加工如切割、挤压、弯曲、铸造等手段获得，它们可以被用在幕墙，建筑抛光塑形的外墙表面以获得不同物理效应，但更重要的是他们用以影响人们对形式外观和空间的感知和体验，赋予建筑意义，激发情感。

正如“标尺”由作者所在的周洪涛团队于2021年创作完成，是上海赤峰路街景改造项目的一部分，其灵感源于抽象的乔木造型，立面上的标尺利于行人和雕塑间的互动，抛光的不锈钢材质营造多变奇幻的视觉体验（见图15）。材料和它的特定属性使建筑具备多重感官性，我们不仅看也会抚摸聆听材料，所有这些汇聚成我们对空间的理解和体验，正如Juhani Pallasmaa所说”建筑的真实体验源于真实或想象的肢体接触而非仅靠视觉。”[14]

图15 标 尺

五、结 语

凭借数字形态生成技术我们得以进一步剖析形态和材料间的因借关系，探索材料的物理影响和情感影响效应，利用大自然的智慧帮助我们找到形态和生态最优的切入点。更多设计师在大自然中寻找灵感以探索新材料和材料新行为，从而，建筑能动态的对外部环境作出反应。除模拟自然界中精美复杂的图案和结构，其行为也被借鉴到建筑的外墙设计中。遵循这种“形式追随表现”的策略，人们探索自然界中的形态发生原理，为我所用。进化的压力迫使有机物行为方式高度优化且具效率，自然使用最经济的手段获得最佳的作用效果，以生物学作基础，将仿生学的研究成果运用于计算机辅助设计主导的设计实践。材料不再是形态生成设计的附属品，而是驱动力。正如William Gibson所说：“未来已然来到，只是分布不均。”[15]